基于无人机的垃圾捡拾装置设计

吕奕 张开利 关宏强 肖枫

【摘  要】 文章针对峭壁垃圾位置难以抵达和挂在树枝上的白色垃圾位置较高的问题，设计了一种基于无人机的垃圾捡拾装置。该装置通过接收遥控器发送的信号，经过飞控信息处理后，调节各个电机的转速，改变飞行器的位置；同时，接收盒将信号转换成PWM信号，控制舵机旋转角度，实现机械臂和机械爪的操作。这使得装置可以灵活飞行到环卫工人难以抵达的位置，准确抓取目标物，解决了垃圾捡拾中的一系列棘手问题，降低了环卫工人的危险性，提高了垃圾清理效率，为净化环境添砖加瓦。

【关键词】 无人机；垃圾捡拾；机械爪；机械臂

随着人们对精神文化需求的提升，旅游已成为了解历史文化和区域文化的主要方式，特别是一些名山秀水备受青睐。然而，随之而来的是游客留下的大量废弃物，如矿泉水瓶、各种包装袋等。这些废弃物的增加，加上风力的影响，导致一些垃圾滞留在峭壁、树枝或其他高处，难以清理。针对这种峭壁垃圾位置难以抵达，以及白色垃圾挂在树枝上高处的问题，文章研究并设计了一种可以飞行的垃圾捡拾装置，有效地替代了传统的“蜘蛛人”攀岩作业的危险性和使用升降车作业的低效性。

一、装置工作原理

无人机系统在现代社会中的应用日益广泛，无论是在军事领域的侦察与打击，还是在民用领域的航拍与物流，都离不开这项先进技术的支持。然而，随着无人机系统的规模和复杂度不断增加，如何保持其高度可用性成为一个迫切的问题。因此，对无人机系统的可用性进行评估与提升，是提高其整体性能与效益的关键。本装置利用无人机接收遥控器发送的信号，经过飞控信息处理后，通过电调控制各个电机的转速，从而改变飞行器的运动位置；同时，接收盒将接收到的信号转换成PWM信号，以控制舵机转动相应角度，完成机械臂旋转、机械爪抓取的功能操作，使得装置能够灵活飞行到环卫工人不易抵达的位置，准确抓取目标物。

（一）无人机飞行及控制的实现

考虑到被清理垃圾的重量通常不会超过1kg，本研究选择了大疆F450无人机作为载荷平台。该无人机的毛重为0.89kg，可搭载1kg至1.2kg的负载。电调采用的是天行者系列的HOBBYWING40A，其最高转速为：2极马达210000转/分钟、6极马达70000转/分钟、12极马达35000转/分钟。无人机搭载了飞控系统，其中包括先进的姿态稳定算法、多种飞行控制模式/智能切换、GPS模块扩展/精准定位悬停、智能方向控制、失控保护模式、低电压保护、普通、PPM接收机及D-BUS支持，以及支持多种多旋翼类型、云台增稳和远程调参等功能。RF209S型接收机能够接收遥控器发送的信号，经过飞控程序处理后，通过电调来控制各个电机的转速，从而实现对飞行器动作的精确控制。

（二）无人机的操控原理

无人机采用的是当前普通直升机的气动布局，能够携带图像采集和信息传输设备。在飞行过程中，无人机通过传输设备将所获取的各种信息传输到监控中心，从而极大地提高了工作效率。常见的四旋翼无人机的气动布局是四个旋翼相互对称分布，这种结构具有良好的起降能力。此外，四旋翼无人机还配备了减震云台和无线传输设备，能够在进行垃圾捡拾过程中利用高分辨率的图像采集设备进行信息的采集和传输，并将信息及时传送到监控中心。本装置选择的大疆F450四旋翼无人机，其主要动力来源是四个螺旋桨。螺旋桨的布局决定了各个电机的动力分配方式，通常分为对称和不对称两种。在本装置中，为了方便动力的分配，采用了对称布局。

采用对称布局的无人机有两种主要类型：“X”型和“十字”型。在本装置中，由于无人机需要完成复杂的运动任务，包括滚转、俯仰、偏航和平移等，同时需要在底盘上安装机械手臂以进行垃圾捡拾，因此无人机的机头方向需要垂直于四个螺旋桨确定的平面。基于此要求，本装置采用了“X”型布局。无人机装备有四个电机，分别标记为Ω1、Ω2、Ω3、和Ω4。通过调节每组电机的转向和转速，无人机可以产生所需的偏航力矩。由于螺旋桨有正反之分，使得不同旋转方向的螺旋桨产生相同方向的推力。因此，为了实现各种姿态飞行，需要让两组电机反向转动以获得相同方向的推力。例如，如果无人机需要向右滚转，可以增加Ω1和Ω4的转速，降低Ω2和Ω3的转速。这样，机体右侧的力矩小于左侧的力矩，使得机体向右倾斜。同样地，如果需要前倾即俯冲姿态运动，只需要降低Ω1和Ω2的转速，增加Ω3和Ω4的转速即可，反之亦然，以实现后倾即机头仰起的姿态运动。由此可见，无论机头需要向何方运动，只需降低相应方向的两个电机的转速，同时增加对侧电机的转速，即可实现所需的运动。

（三）机械臂和无人机连接的实现

针对无人机和机械臂的重量和操作需求，本研究选择了SHANG YI品牌的锂电池，其具有XT60端口输出，容量为6000mAh，重量为435克。电池通过接头连接，为机械臂提供供电。一块充满电的SHANG YI锂电池可以保证无人机和机械臂连续工作约15至30分钟。考虑到实际垃圾清理工作的量，环卫工人可以准备几块备用电池，以确保工作的连续性和高效性。

（四）无人机及机械臂供电的实现

无人机底盘和机械臂之间通过自制的亚克力板材与连接件连接使其固定。其中，机械臂具有两个自由度，可以实现转动和机械爪的开合。利用无人机的空中飞行能力，可以轻松到达高处或危险地带，从而实现对目标物的准确抓取。连接无人机底盘和机械臂的方式是使用连接板和U型件。连接板固定在无人机底部，而机械臂的连接件则使用短U型连接件连接。连接板和U型件通过螺钉组装在一起，以确保连接稳固可靠。

（五）机械臂转动的实现

利用无人机的飞控装置控制舵机的旋转，舵机具有匀速转动和指定角度转动的特点。支架与支架之间通过舵机连接。舵机的控制信号是一个脉冲宽度调制信号（PWM信号）。通过接收机发出不同频率的PWM信号，将舵机连接在接收机的通道上，以控制舵机旋转到不同的角度。这样就可以带动机械臂的旋转和机械爪的开合，从而完成目标物的抓取功能。

（六）机械爪抓取的实现

机械爪也采取舵机作为原动力，考虑无人机所能承受机械臂的重量，采用与型号重量较合适的舵机。舵机选取时需要考虑以下几点：

（1）舵机是机械臂的组成部分，去除舵机以外的机械臂组成部分重量，计算、预估出舵机重量的合理范围值；

（2）机械爪舵机应满足实际需求抓取目标物的重量范围。舵机固定在机械爪的咬合处，转动固定的角度，连接到机械爪旋转的部位，带动机械爪上控制旋转的齿轮区域进行转动，以达到机械爪抓取的功能。

（七）机械臂支架

考虑到无人机的载重问题，整个装置重量越轻越好。扣除已有舵机、底座的重量，剩下的载重量则是机械臂部分的重量，机械臂材料选取时需要考虑以下三点：

1. 需要考虑材质的重量，材质重量不宜过大；

2. 材质的耐用性至关重要，耐用性强的材质可以延长装置的使用寿命；

3. 材质的承重性决定了整个装置的稳定性和可靠性，承重性强的材质可以保证配置在机械臂上的其他部件更加稳固、保证抓取目标物更加可靠。

基于以上因素，机械臂支架全部采用2A16航空铝材，减轻机械臂重量，降低无人机载重量，满足本装置在耐用性、稳固性、可靠性等方面的需求。

二、装置设计与计算

机械部分包括机械臂和机械爪两个构件。经过设计、选材、组装和调试，最终制作出实物。根据零部件的相关参数（如图1所示），可以计算出该装置可以抓取的目标物的重量范围，从而为实际应用时捡拾目标物提供参考。

1. 计算机械爪可抓取的物体最大重量（即G物）。

公式：G杆·L杆+G舵·L舵+G爪·L爪+G物·L物=M1  ①

已知参数的数据值如下：

G杆：机械臂的重量0.64N；

L杆：舵机Ⅰ的回转中心到机械臂重心的长度170 mm；

G舵：舵机Ⅱ的重量0.6N；

L舵：舵机Ⅰ的回转中心到舵机Ⅱ重心的距离300mm；

G爪：机械爪的重量1.25N；

L爪：舵机Ⅰ的回转中心到机械爪中心的距离350 mm；

L物：抓取的物体重心到舵机Ⅱ的距离，即机械爪中心到舵机Ⅱ的距离350mm；

M1：舵机Ⅰ的扭矩150N·cm；

将各参数值代入公式①，具体如下：

∵G杆·L杆+G舵·L舵+G爪·L爪+G物·L物=M1

∴0.64N·170×10-1cm＋0.6N·300×10-1cm＋1.25N·350×10-1cm＋G物·350×10-1cm＝150N·cm

计算得出，G物＝2.21N，即机械爪可抓取物体的最大重量G物的值为2.21N。

2. 计算机械爪的夹取力（即F）。

公式：F·d=M2  ②

已知参数的数据值如下：

d：舵机Ⅱ到机械爪中心的距离50mm；

M2：舵机Ⅱ的扭矩160N·cm；

将各参数值代入公式②，具体如下：

∵F·d=M2

∴F·50×10-1cm＝160N·cm

计算得出，F＝32N，即机械爪的夹取力F的值为32N。

经过以上两步计算，得出机械爪夹取力F远大于可抓取最大物体重量G物，即F＞G物。同时考虑到在抓取白色挂枝垃圾时其处于挂枝状态，强行抓取会有较大的挂枝力，可通过遥控无人机多角度多方位抓取避免挂枝阻力；另外由于挂枝物大多为塑料类，材质具有轻、软、柔等特性，为了尽可能避免由于机械爪材质过硬，实际工作时出现抓取脱离现象，本装置在机械爪抓取部位粘贴了软而轻的珍珠棉来增加抓取物与机械爪间的摩擦力。通过装置的多个实验环境测试，证明本装置的设计及配置是正确、合理的。

3. 调整整个装置的平衡性。

当机械臂与无人机机体相互垂直时，无人机四个旋翼的转速是相等的，可以保证整个装置的平衡性；当机械臂向右旋转90度角（面对装置时）与无人机机体平行时，飞控计算自适应调整左侧旋翼Ω1、Ω4的转速和右侧旋翼Ω2、Ω3的转速，转速调整需要满足以下两点，可以保证整个装置的平衡性：

①右侧Ω2、Ω3的升力之和大于左侧Ω1、Ω4的升力之和，即F右＞F左，可以保障机械臂向右扭转时正常抓取目标物；

②保证总力矩平衡，即M左旋＝M右旋＋M臂，其中，M左旋是左侧旋翼Ω1、Ω4的力矩之和，M右旋是右侧旋翼Ω2、Ω3的力矩之和，M臂是机械臂的力矩；

根据以上两点装置平衡性原理要求，本装置顺利完成平衡性调试，并成功通过测试。

三、结语

本装置借助无人机的飞行功能及可扩展功能二次开发的特点，对机械臂、机械爪各方位抓取功能设计，实现本装置灵活飞行于环卫工人不易抵达的位置，准确抓取目标物，降低环卫工人捡拾垃圾的危险度，提高垃圾清理效率。本装置具体性能如下：

1. 在可见范围内，即无任何阻挡的前提下，无人机最远可控距离约为500m，满足环卫工人一次垃圾清理的工作范围，实用性强；

2. 当机械臂扭转至与无人机机身平行时，机械臂的长度应大于无人机最大长度的一半，机械臂最长距离约为408 mm，保证无人机的旋翼不会触碰垃圾清除点阻碍体，保证无人机飞行状态下旋翼安全、无触碰；

3. 实现多方向、多角度旋转及抓取牢固性，更好地适应峭壁垃圾的复杂地形和“挂枝”白色垃圾不可预测的缠挂状态，确保垃圾捡拾工作更加高效、安全。

参考文献：

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